CN1211719A - 石墨化电炉 - Google Patents

Abstract

一个碳粉入口和一个石墨粉收集口相对的布置在炉体上。在炉体内至少一对电极相对于石墨化区域相对的布置,该石墨化区域位于所述入口和所述收集口之间的中央位置。

Description

石墨化电炉

本发明涉及一种石墨化电炉。

传统上，是在约3000℃或更高温度的惰性气氛下通过热处理使碳粉石墨化来进行工业化生产人工石墨粉。

在这种形式的石墨粉生产中，使用了石墨化电炉例如阿切孙电炉，其中通过对碳粉直接施加电流从而利用焦耳热使碳粉石墨化。通常，现有的石墨化电炉均是设计成以批量生产形式来生产石墨粉，这导致较低的生产率。因此，迫切要求发展一种能够通过对碳粉热处理来连续生产石墨粉的石墨化电炉。

然而，目前提出的大多数连续石墨化电炉是基于如下一种设计原理，即碳粉充填进一对石墨电极之间的空间，并且当碳粉移动时将电流供给该空间，因此，利用焦耳热对碳粉加热。为了使炉内温度保持在约3000℃或更高以便连续的使碳粉石墨化，利用焦耳热对石墨电极本身加热以便使石墨电极确实用作加热器，由于石墨电极处在高达3000℃或更高的温度下，这将不可避免的导致石墨电极升华和损耗。石墨电极的损耗严重阻碍了连续石墨化电炉在现实中的应用。

具体的说，例如考虑这样一种连续石墨化电炉，其中一对呈管状的石墨电极相对布置在炉体内，该对石墨电极用作碳粉入口和石墨粉收集口。在这种石墨化电炉中，当碳粉充填进炉体内且电流从电源供给该对石墨电极之间的空间时，石墨电极本身发热以便用作加热器，在石墨电极内侧和和中部的碳粉通过焦耳热被加热从而石墨化。因此，当新碳粉通过石墨电极管的另一侧填充进炉体内时，曾经考虑过通过收集流过石墨电极管一侧的石墨粉可以连续的生产石墨粉。特别考虑过由于石墨电极管总是暴露在高温下很容易升华，因此收集高温石墨粉的石墨电极管的一侧不能长时间使用。

为了解决上述和其它问题，本发明的目的是提供具有高可行性的石墨化电炉，该石墨化电炉不使用石墨电极而通过在高温下加热碳粉就能连续生产石墨粉。

本发明的石墨化电炉包括一个炉体，相对地布置在炉体上的一个碳粉入口和一个石墨粉收集口，以及布置在炉体内相对于石墨化区域对置的至少一对电极，该石墨化区域位于所述入口和所述收集口之间的的中央位置。

这样，在本发明中，在通过入口填充进碳粉的的炉体内对电极通电，这将使电极之间的包括石墨化区域的轴向区域通过焦耳热而被加热，而靠近炉体壁的外围碳粉通过例如自然气冷保持足够低的温度。结果，炉体内仅在石墨化区域的碳粉局部加热到高温并石墨化。这样，通过收集流经收集口的石墨粉，并通过入口填充新的碳粉能够实现连续生产石墨粉。

在这种情况下，由于通电或者供应电流而产生的焦耳热的加热就可以使位于石墨化区域的碳粉石墨化。从入口至收集口包围并封闭碳粉和/或石墨粉的粉流的碳粉保持在炉体的内侧。即，在炉体芯部的碳粉被石墨化，而靠近炉壁的外围碳粉则用作炉体的热绝缘物。结果，石墨化区域保持在合适的高温。没有杂质能够掺进流过收集口将要收集的石墨粉内，因为在炉体1内除了用作原材料的碳粉外不存在其它材料，因此，收集到的只是纯石墨粉。靠近炉壁并围绕电极的碳粉保持较低的温度且不移动，这可以减轻炉体和电极的燃烧损坏并提高其可靠性。

此外，在本发明中，可以在炉体内设置若干对相对于石墨化区域对置的电极，并且可在不同时间依次供给各对电极电流。这种在不同时间依次使各对电极通电将会使在各对电极之间流动的电流总是流过石墨化区域，因此，石墨化区域与外围碳粉相比具有较高的电流密度，这样通过焦耳热石墨化区域具有增加了的热值，这非常有利于在较高温度下只有在石墨化区域局部加热并有利于设计成小尺寸的炉体。由于石墨化后的粉具有较低的体电阻率，因此进一步加强了这种效果。

在本发明中，炉体可以是柱形圆筒。碳粉入口和石墨粉收集口分别布置在体的顶部和底部中央。各对电极可环形布置在炉体的内壁上，因此每对电极在圆筒的径向相对布置。

而且炉体可设计成水冷式结构。另外，双阻挡装置可布置在每个入口和收集口处以确定一个过渡腔室，该过渡腔室可转变成惰性气氛或真空。

下面参考附图描述本发明的实施例。

图1是本发明的一个实施例的截面图；

图2是沿图1的箭头Ⅱ-Ⅱ方向看的视图；

图3是本发明的另一个实施例的截面图；和

图4是沿图3的箭头Ⅳ-Ⅳ方向看的视图。

图1和2表示本发明的一个实施例，其中标号1表示设计成水冷式结构的炉体。炉体1具有一个位于该炉体1顶部中央的碳粉入口4，以便通过例如一螺旋输送器3将碳粉2充填进炉内。炉体1具有一个位于该炉体1底部中央的石墨粉收集口7，以便通过一螺旋输送器6可以收集石墨粉5，该石墨粉通过使碳粉2石墨化经热处理产生。炉体1充有氩或其它惰性气体或抽成真空以便与外界大气隔离。

如图所示的炉体1由一个柱形圆筒构成，该圆筒的顶端装有一个锥形头部而且圆筒具有一个轴线O，入口4和收集口7处在该轴线O上。炉体1具有一个平圆盘形状的底部。

炉体1的水冷式结构可以是该领域中的传统型式。具体来说，炉体1的壁可以采用水冷套式或者可以设置许多流道以便使套中或流道中的冷水循环。

此外，根据本实施例，在炉体1内的入口4和收集口7之间的中间位置设有一个石墨化区域8(图中画有交叉阴影线的区域)。在炉体1的内壁上设有若干对电极9a和9b，这些电极在与石墨化区域8相同的高度上环行布置并且由铜或其它导电材料制成。每对电极9a和9b相对于石墨化区域8径向相对设置，并且电极通过一个电流控制器10连接到电源11上，以便在不同时间依次把电流输送到各对电极上。

无须说明炉体1的靠近电极9a和9b的内侧壁表面必须电绝缘，而且无许说明炉体1的接触碳粉的壁必须由陶瓷、硬塑料或其它绝缘材料制成。电源11可以是直流或交流电源。

通过碳粉入口4将碳粉2充进炉体1内，通过电流控制器10由电源11在不同时间依次给各对电极9a和9b通电。特别如图2所示，在各对电极9a和9b之间流动的电流主要流过具有较低的体电阻率的石墨化区域8，因此石墨化区域8与周围的碳粉相比具有较高的电流密度，从而由于焦耳热具有增加了的热值。另一方面，由于炉体1本身是水冷式，因而在其壁和靠近壁处的温度降低。结果，仅在炉体1内的石墨化区域8的碳粉2局部加热至高温并石墨化。

这样，通过收集在石墨化区域8石墨化后形成的流经收集口7的石墨粉5就可以连续生产石墨粉5，同时新碳粉2通过入口4填充进炉体1内。

在这种情况下，在石墨化区域8的碳粉2利用由于通电产生的焦耳热通过加热而石墨化；从入口4至收集口7包围并封闭碳粉2和/或石墨粉5的粉流的碳粉2保持在炉体1的内侧。即，在炉体芯部的碳粉被石墨化，而靠近炉壁的外围碳粉则用作炉体1的热绝缘物。结果，石墨化区域8保持在合适的高温而炉体1的内壁保持低温。没有杂质能够掺进流过收集口7的需要收集的石墨粉5内，因为在炉体1内除了用作原材料的碳粉外不存在其它材料；在石墨粉温度降低的地方收集到的只是纯石墨粉5。而且，可以减轻炉体1和电极9a和9b的燃烧损坏以便提高炉体1和电极9a和9b的使用寿命。

根据本实施例，由于在电极高度上在炉体1的内侧的温度可保持在较低值，因此碳粉2可利用铜或类似材料制成的普通电极9a和9b很好的加热到高温。这样，不需要顾虑石墨电极的耗损；而且，可以减轻炉体1和电极9a和9b的燃烧损坏以便提高炉体1和电极9a和9b的使用寿命。这样就能制造一种通过碳粉2的热处理来连续生产石墨粉5的石墨化电炉。

没有杂质能够掺进流过收集口7的需要收集的石墨粉5内，而只收集纯石墨粉5，这样有可能大幅度的提高生产的石墨粉的质量的稳定性。

图3和4表示本发明的另一个实施例。在该实施例中，炉体1不采用水冷式结构，炉体1的内壁可仅通过自然气冷的冷却作用使得其温度降低。

特别是，图3表示使炉体1的内部空间保持在氮、氩或其它惰性气氛中的特殊装置。在炉体1的底部设有分别通往一个真空泵(没有表示出)和一气体供应源(没有表示出)的抽气管1a和惰性气体输送管1b。通过抽气管1a抽气并通过惰性气体输送管1b引进隋性气体可以将炉体1的内部空间转变成惰性气氛。

而且，在螺旋输送器3的上游布置了作为双阻挡装置的的球阀12和13，该螺旋输送器3用来通过入口4充填碳粉2。在由球阀12和13确定的空间内设有一个过渡腔室14，该过渡腔室14具有抽气管14a和惰性气体输送管14b，以便将内部气氛转换成氮、氩或其它惰性气氛。

具体的说，当碳粉2通过入口4填充进炉体内时，首先上球阀和下球阀13和12分别打开和关闭使碳粉2充填进过渡腔室14。然后，上球阀13关闭。腔室14通过管14a抽成真空并通过管14b将惰性气体例如氮气或氩气引入以便将腔室14转变成惰性气氛。然后下球阀12打开以便将碳粉2从腔室14引入到螺旋输送器3的进口侧。这样，碳粉2能够不与外界空气混合的充填进炉体1内。

另一方面，在螺旋输送器6的下游布置了作为双阻挡装置的的球阀15和16，该螺旋输送器6通过收集口7收集石墨粉2。在由球阀15和16确定的空间内设有一过渡腔室17，该过渡腔室17具有抽气管17a和惰性气体输送管17b，以便将内部空气转换成惰性气氛。

具体的说，当石墨粉5通过收集口7被收集时，腔室17通过管17a形成真空，此时球阀15和16关闭。通过管17b将氮、氩或其它惰性气体引入以便将过渡腔室17内的所述空间转变成惰性气氛。然后上球阀15打开以便将石墨粉5转移至腔室17中，并将上球阀15关闭。然后下球阀16打开。这样，石墨粉5能够在没有外界空气混进炉体1内的情况下而被收集。

在图中，标号18表示排气管，该排气管与炉体1的顶部连接并用来抽出在高温下通过加热由碳粉2产生的内部气体例如甲烷，一氧化碳或二氧化碳。

在具有上述构造的石墨化电炉内，碳粉2通过入口4充填进炉体1内，电源11通过电流控制器10在不同时间依次与各对电极9a和9b连接。所以，石墨化区域8的电流密度比外围碳粉2的大，因此，由于焦耳热而使其热值增加。另一方面，靠近炉体1的壁的温度由于自然气冷而保持足够低的温度值。结果，在炉体1内只在石墨化区域8的碳粉2加热到高温并石墨化。这样，可以获得与图1和2中的实施例相同的效果。

在图1至4的任一实施例中，若干对电极9a和9b相对于石墨化区域8相对的设置在炉体1的内侧，并且在不同时间依次对各对电极9a和9b通电。在这一方面，石墨化区域8与外围碳粉相比具有较高的电流密度，因此，由于焦耳热而使其热值增加，这样仅在石墨化区域8可以局部且有效的加热到高温，并可使炉体1做成小尺寸。并非必须使用多对电极9a和9b；例如，在炉体1内可布置单对横向伸展的较细长的电极9a和9b，该电极9a和9b具有矩形截面且相对于石墨化区域8相对设置。由于炉壁的冷却作用和石墨化后的粉的体电阻率低，即使是这种单对电极9a和9b也能够仅使石墨化区域8加热到高温。

尤其是，当充填了碳粉2的炉体1中充满氮、氩或其它惰性气体时，正是由于自然气冷的冷却作用使炉体内壁的传热系数增加从而大大降低在或靠近炉体1的内壁位置的温度。另一方面，碳粉2的粒子之间的传热系数低，由于围绕石墨化区域8的碳粉2的热绝缘作用，因此在炉体的中心部分局部形成了高温石墨化区域8。这种冷却和热绝缘作用如发挥充分即使在只有单对电极9a和9b的情况下也将能够使碳粉2连续石墨化。

可以理解本发明的石墨化电炉不局限于上述实施例，在不超出本发明的实质和范围的前提下可对其作不同的变化和修改。例如，碳粉入口和石墨粉收集口可以相对布置在任意方向而非垂直。炉体的圆筒可设计成与图中所示不同的形状，例如，它可设计成多边形或球形。电极可相对于石墨化区域的三维的相对设置，且各对电极布置在不同的平面上。而且，炉体的内部空间可以是真空而非转变成惰性气氛。在这种情况下，由分别位于碳粉入口和石墨粉收集口上的双阻挡装置确定的过渡腔室也可形成真空以便充填碳粉和收集石墨粉。

Claims (10)

1．一种石墨化电炉，它包括一个炉体，相对的布置在炉体上的一个碳粉入口和一个石墨粉收集口，以及布置在炉体内相对于石墨化区域对置的至少一对电极，该石墨化区域位于所述入口和所述收集口之间的的中央位置。

2．如权利要求1所述的石墨化电炉，其特征在于设置许多对电极并且在不同时间依次对各对电极通电流。

3．如权利要求2所述的石墨化电炉，其特征在于炉体具有一个柱形圆筒，碳粉入口布置在炉体的顶部中央，石墨粉收集口布置在炉体的底部中央，各对电极环形布置在炉体的内壁上，因此每对电极在炉体的圆筒的径向相对布置。

4．如权利要求2或3所述的石墨化电炉，其特征在于还包括一个电流控制器，该电流控制器用于在不同的时间依次把各对电极连接在一个电源上。

5．如权利要求1至3之一所述的石墨化电炉，其特征在于炉体设计成水冷式结构。

6．如权利要求4所述的石墨化电炉，其特征在于炉体设计成水冷式结构。

7．如权利要求1至3之一所述的石墨化电炉，其特征在于还包括双阻挡装置，该双阻挡装置位于每个碳粉入口和石墨粉收集口处以确定一个过渡腔室，该过渡腔室可转换成惰性气氛或抽成真空。

8．如权利要求4所述的石墨化电炉，其特征在于还包括双阻挡装置，该双阻挡装置位于每个碳粉入口和石墨粉收集口处以确定一个过渡腔室，该过渡腔室可转换成惰性气氛或抽成真空。

9．如权利要求5所述的石墨化电炉，其特征在于还包括双阻挡装置，该双阻挡装置位于每个碳粉入口和石墨粉收集口上以确定一个过渡腔室，该过渡腔室可转换成惰性气氛或抽成真空。

10．如权利要求6所述的石墨化电炉，其特征在于还包括双阻挡装置，该双阻挡装置位于每个碳粉入口和石墨粉收集口上以确定一个过渡腔室，该过渡腔室可转换成惰性气氛或抽成真空。

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